微電網系統光伏發電模塊配置問題及改進探索

■ 丁 驍 趙 謙

（1.國家電網許繼微電網公司；2.華中科技大學電子科學與技術學院）

一 引言

一直以來，提高一次能源供給中可再生能源的占比是能源工程研究的目標。一次能源向二次能源的轉化技術直接表征社會電氣化水平和人居環境適宜度。電能，作為優質的二次能源，是標準化的能量媒介，可容納各種一次能源的接入。隨著電力系統的發展，基于可再生能源的電能供應成為現實并逐漸產生市場效應。可再生能源既可用于集中式發電，也可用于分布式發電，而后者是解決能源短缺問題、實現能源階梯利用的必由之路。可再生能源與電網高效、安全、穩定地融合是電網智能化研究的主要方向。

微電網是一種局域化的智能電網系統，它伴隨分布式發電技術的興起，致力于解決分布式電源電能質量控制和電網可靠性控制兩大難題[1]。微電網系統集發電、儲能、負荷及控制裝置為一體，目的在于將分散能源就地轉換成電能，然后就近供給本地負載。微電網本身或獨立于大電網、或交互于大電網、或兩者兼而有之，具有靈活配電、復雜控制的特征。

以太陽輻射為基礎，實現光能與電能直接轉換的光伏發電是一種重要的分布式發電技術。在分散供能特性方面，它比風力、水力、生物質能發電技術有明顯優勢。對于強調局域性清潔能源利用的微電網系統，光伏發電模塊是不可或缺的電源類別。從本世紀初“微電網”這一概念被提出以來，各國或各組織研發的微電網系統中皆包含光伏模塊[2]。但是，由于光伏發電存在天然的間歇性特征，微電網控制較傳統電網控制要更為復雜。光伏發電作為分布式發電的主力與微電網系統共生、互惠、同進退。

本文詳細解析了微電網系統架構和光伏支路設計，提出了微電網系統對光伏發電模塊的技術要求。本文研究的目的，一方面在于提高光伏模塊配置方案的可塑化，使其適應微電網系統靈活、高效、智能的運行模式，從而達到區域分散能源的最高利用效率；另一方面也探索光伏發電模塊接入微電網的技術標準，為微電網融合及電網智能化奠定基礎。

二 微電網系統

從整個電力系統的角度來看，微電網是一個頗具獨立性的自適應智能單元。通過電力網絡架構層和綜合管理架構層之間鑲嵌式協作，達到域內自治、電力平衡的目標。

微電網內最典型的能量運行組塊有兩類：微電源和局域負載。兩者通過能量儲存、交換、調節系統相互匹配。在并網條件下，微電網系統整體又與主網存在電能交換。以上電能運行各部分皆屬于微電網的電力網絡架構層。

微電源的接入與切割，域內負載的并入和卸除，是微電網系統復雜控制策略的來源。促進能量高效利用，實現系統有效控制與保護的部分屬于微電網綜合管理架構層。微電網雙層結構示意圖如圖1所示，兩層之間存在類似機體與神經的交互關聯。

微電網系統設計時需要考慮的最主要因素包括以下幾個方面：微電網系統電能質量最優化；可再生能源利用率最大化；降低系統建設造價和運行成本。

以上三大要求在某一具體工程中很難做到絕對統一，通常因地制宜尋找折中設計方案。

在微電網項目實踐中，根據不同的基建環境,微電網可劃分成孤島型和并網型兩類。孤島型微電網不與大網產生任何形式的能量交換，系統內部能量供應自給自足。圖2是一個典型的對稱可裂解光伏柴發一體化孤島微電網系統。

圖2 對稱可裂解光伏柴發一體化孤島微電網系統示意圖

圖3 多回路光伏水電一體化并網型微電網系統示意圖

并網型微電網則與大網連接，主網與微電網可在特定條件下交換能量。根據控制策略不同，其運行狀態又可分為孤島模式和并網模式。當然，即便在并網條件下，也要盡可能減少系統對大電網的依賴程度。這是微電網系統控制策略基本宗旨。圖3是一個單母線多回路光伏水電一體化并網型微電網系統。

三 微電網系統光伏模塊設計

理想微電網系統設計中的微電源模塊應具備即時接入與即時退出功能，相應的裂解與并入動作要求平滑可控，從而滿足上文所提到的三點要求。對每一個特定的光伏發電模塊而言，它本身獨有的接口、控制、保護與微電網系統的運行狀態息息相關。

光伏發電模塊由組件系統、監測系統、逆變系統、控制系統及管理系統組成。光伏支路的設備包括：光伏組件群、匯流配電設備、直交流電壓調節設備、逆變設備、隔離開關設備、入網接口裝置，以及監測、控制、保護裝置。

微電網系統光伏模塊設計一般遵循如圖4所示流程，以達到系統設計合理性和功能完備性。

不可否認，光伏發電與傳統發電相比，存在不少缺點。

首先，光伏發電產出功率與太陽輻射量、太陽光譜特性密切相關，從而具有不穩定性和難以平滑調節的自然缺陷；其次，逆變組團的功率因數高達0.99，因此，在有功功率不變的情況下，無功功率幾乎不存在可調空間；最后，逆變器換流運行中，由于功率電子器件工作而產生的各次諧波注入電網，嚴重影響電能質量。

四 光伏模塊配置改進探索

基于對上述缺點的考慮，微電網系統中的光伏模塊配置需要做相應改進。

1 光伏支路設備成本降低

微電網工程建設成本中的重要份額主要落在光伏支路上。光伏支路各環節中設備的成本控制仍舊是今后微電網項目的重要課題。

2 太陽電池轉換效率提升

工業化太陽電池轉換效率提升的價值是不言而喻的。成本穩定前提下的器件效率提升會產生一系列的連環增益。

3 太陽電池的短波相應增強

圖4 光伏支路設計流程

和大型光伏電站相比，微電網光伏支路的設計環境要復雜很多。在緊密關聯負載的人居環境中，良好的短波相應能有效提高微電網系統的整體能源利用效率。

4 陣列失配改進

太陽電池生產雖然采用較為精密的微電子制造工藝，但最終成型的組件狀態一致性不佳。在同一逆變組團內，不均勻的光伏陣列會發生運行失配。雖然導致失配的原因是多方面的，但從生產工藝上研究改進是最根本的方法。

除此之外，單組件MPPT控制也是解決陣列失配的可行性方案。

5 監測系統智能化

光伏支路的監測目標除陣列本身的輸出外，還應考慮到溫度、太陽輻射強度、太陽輻射量、太陽光譜特性等相關量。采集到的環境數據量和光伏輸出，經由特殊算法，可有效支持光伏發電支路的智能化。

6 電能質量改善

電能質量控制是光伏模塊的軟肋，是光伏發電無法從輔助能源轉變為替代能源的最大瓶頸。

光伏支路運行中的電能質量問題主要有：滲入的直流分量、電力電子器件運行產生的諧波污染、電壓波動閃變、波形畸變以及三相不平衡。

基于儲能設備和電能質量管理設備的綜合治理在目前看來是最有效的方案。

7 設備標準化

光伏支路相關設備標準化將有助于簡化控制系統的工作，有利于微電網智能化運行的實現。微電網融合技術將對光伏設備的標準化提出更高要求。

8 提高擴展延伸性

由于負荷變動的需要，微電網光伏支路在規劃布局上必須充分考慮擴展延伸能力。在微電網工程初期，就得充分預留電力和通訊接口。監控平臺的設計也要考慮系統的可能延伸范圍。

9 功率調節和功率預測

在功率檢測基礎上的功率調節和預測是光伏模塊控制與保護的核心技術。

另外，并網型微電網還必須同時具備孤島保護和低電壓穿越能力。

五 結語

微電網的發展將從根本上改善以往電力負荷畸形增長帶來的不穩定因素，在節能減排、提高電力系統可靠性和靈活性方面具有巨大潛力，是電網智能化的關鍵策略之一。接入微電網系統的光伏發電模塊，由于其本身的自然屬性和電力系統的特殊環境，存在配置失調問題。探求這些問題的解決方案是微電網系統逐步走向成熟的先決條件。

[1]楊恢宏, 余高旺, 樊占峰, 等. 微電網系統控制器的研發及實際應用[J]. 電力系統保護與控制, 2011, 39(19):126-129.

[2]Nikos Hatziargyriou, Hiroshi Asano, Reza Iravani, et al. Microgrids:An Overview of Ongoing Research, Development, and Demonstration Projects[J]. IEEE power and energy magazine, July/August 2007:78-94.